高速鐵路粗粒土路基沉降特征及預(yù)測(cè)研究

王啟云,張家生,孟飛

(1.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院,福州 350108;2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410075)

高速鐵路粗粒土路基沉降特征及預(yù)測(cè)研究

王啟云1,張家生2,孟飛2

(1.福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院,福州 350108;2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410075)

為研究高速鐵路粗粒土路基沉降特性,采用單點(diǎn)沉降計(jì)對(duì)無(wú)砟軌道路基實(shí)尺模型的沉降進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè),結(jié)果表明,粗粒土填方路基的沉降主要由填筑引起的瞬時(shí)壓縮、粗粒土引起的流變以及外荷載引起的變形等組成,其中路基填筑產(chǎn)生的變形占50%左右,粗粒土流變產(chǎn)生的變形占40%左右;路基填筑完后,由粗粒土流變產(chǎn)生的變形占填筑后總沉降的比例可達(dá)80%,路基的最終沉降主要由粗粒土流變變形組成。根據(jù)粗粒土路基的沉降特性,采用開(kāi)爾文流變模型構(gòu)建了相應(yīng)沉降預(yù)測(cè)函數(shù)。研究表明:基于開(kāi)爾文模型的沉降預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好,為高速鐵路粗粒土路基的沉降預(yù)測(cè)問(wèn)題提供參考。

高速鐵路;路基;沉降預(yù)測(cè);流變特性

為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,我國(guó)修建了大量的高速鐵路。為滿足列車高速運(yùn)行的需要,無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在我國(guó)應(yīng)用越來(lái)越普遍。高速鐵路無(wú)砟軌道路基的發(fā)展改變了鐵路的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念,對(duì)沉降的控制要求越來(lái)越嚴(yán)格,其中路基工后沉降控制已成為路基設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1]。我國(guó)規(guī)定無(wú)砟軌道路基的工后總沉降應(yīng)根據(jù)扣件調(diào)整能力和線路豎曲線圓順的要求確定,且不宜大于15 mm。當(dāng)路基的沉降較均勻時(shí)且調(diào)整軌面高程后的豎曲線半徑符合規(guī)范的相關(guān)要求時(shí),路基工后沉降需控制在30 mm以內(nèi)[2]。但由于扣件的調(diào)整值非常有限,因此只有嚴(yán)格控制線下工程的沉降量才能保證無(wú)砟軌道的正常使用[3]。

我國(guó)鐵路相關(guān)規(guī)范中將路基填料劃分為巨粒土、粗粒土和細(xì)粒土3類,其中粗粒土是指粒徑0.075～60 mm的顆粒含量(質(zhì)量比)大于50%的土石混合料[4]。由于粗粒土在自然界中儲(chǔ)量豐富、分布廣泛,并具有壓實(shí)性能好、抗剪強(qiáng)度高、透水性強(qiáng)、長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性高等優(yōu)良工程特性[5],因此在高速鐵路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。然而,粗粒土作為特性復(fù)雜的散粒材料,與細(xì)顆粒土性質(zhì)存在明顯的差異[6]。目前,有關(guān)高速鐵路路基沉降相關(guān)方面的研究大多針對(duì)軟土[7-8]、特殊土[9-10]等路基,而對(duì)粗粒土填方路基的沉降研究較少,其沉降變化發(fā)展規(guī)律仍未得到深入細(xì)致的研究,因此對(duì)由粗粒土填方而成的路基沉降進(jìn)行研究具有重要的工程意義。

基于此,為研究高速鐵路粗粒土路基的沉降特性,采用單點(diǎn)沉降計(jì)對(duì)無(wú)砟軌道路基實(shí)尺模型的沉降進(jìn)行了長(zhǎng)期的觀測(cè),在此基礎(chǔ)上分析了粗粒土路基的沉降特性,提出并驗(yàn)證了基于開(kāi)爾文模型的沉降預(yù)測(cè)方法。

1 軌道路基模型

無(wú)砟軌道路基實(shí)尺模型在模型槽內(nèi)進(jìn)行填筑和制作。模型槽長(zhǎng)、寬、高分別為16、13、4 m。模型槽壁為厚度1.5 m的鋼筋混凝土,槽壁下方設(shè)有人工挖樁基礎(chǔ)。路基填筑總厚度為4.7 m,其中基床表層0.4 m,基床底層2.3 m,路基本體填筑厚度2 m,基床表層頂面寬度為6 m,路基兩側(cè)按1∶1.5進(jìn)行放坡。路基模型剖面如圖1所示,填筑后模型如圖2所示。

圖1 路基模型剖面及測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)

圖2 填筑完成后的路基模型

基床表層填料采用級(jí)配碎石,其不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)分別為31.3、1.5;基床底層和路基本體填料采用改良后的粗粒土B組填料,其不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)分別為135、0.87。填料的級(jí)配曲線如圖3所示。

為研究無(wú)砟軌道路基的長(zhǎng)期沉降特性,在軌道路基模型路基正中心布置了12個(gè)單點(diǎn)沉降計(jì)。此外,為監(jiān)測(cè)靜土壓力的變化,在路基模型中布置了28個(gè)靜土壓力盒。測(cè)試元器件的布置剖面見(jiàn)圖1,縱向布置剖面見(jiàn)圖4。單點(diǎn)沉降計(jì)與靜土壓力盒均采用JMZX-3001型綜合測(cè)試儀測(cè)試。

圖3 路基填料的級(jí)配曲線

圖4 模型縱向剖面及單點(diǎn)沉降計(jì)布置(單位:mm)

2 沉降觀測(cè)與分析

由于不同深度處沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果較為一致,因此將軌道路基模型中心剖面處的單點(diǎn)沉降計(jì)變形時(shí)程曲線繪制于圖5中,其中圖5(a)包含填筑階段變形時(shí)程曲線,圖5(b)為路基填筑完畢后變形時(shí)程曲線。

從圖5中可以看出,隨著填土高度的加大,路基沉降迅速增加。填筑完畢,路基沉降繼續(xù)發(fā)展,但沉降速率逐步趨于平緩。路基沉降在靜置期內(nèi)因軌道結(jié)構(gòu)施工和相鄰模型加載呈波動(dòng),但整體沉降仍較為平穩(wěn)。

通過(guò)對(duì)單點(diǎn)沉降計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,將高速鐵路粗粒土路基變形分為3個(gè)階段:加荷瞬時(shí)壓縮變形階段、流變變形階段、外荷載作用下變形波動(dòng)階段。

(1)瞬時(shí)壓縮變形

在路基的填筑過(guò)程中,經(jīng)過(guò)攤鋪、分層碾壓,路基填料被壓縮,此時(shí)路基變形主要以塑性為主。隨著上覆填土高度的增加,下層土受到上層土的應(yīng)力作用,開(kāi)始發(fā)生與上覆填土高度呈正相關(guān)的彈性壓縮變形[11],作用在下土層中的荷載主要由土顆粒骨架承擔(dān)。

如圖5(c)所示,在路基模型填筑過(guò)程中,基床表層和基床底層土體的填筑導(dǎo)致下方地基和路基本體變形的總和為2.99 mm,為觀測(cè)最大沉降的49%。如圖5(d)所示,基床表層、基床底層以及路基本體土體的填筑導(dǎo)致下方地基的變形為2.49 mm,為觀測(cè)最大沉降的46.3%;

(2)流變變形

在填方路基沉降過(guò)程中,粗粒土填料的流變效應(yīng)是一直存在的,且不可忽視[12]。當(dāng)路基全部填筑后,路基中各結(jié)構(gòu)層的荷載不再增加,但在上覆土自重應(yīng)力作用下顆粒之間相對(duì)位置發(fā)生調(diào)整,從而引起路基發(fā)生流變變形。流變變形隨時(shí)間的推移而緩慢發(fā)展,其變形速率最終趨近于0。由于應(yīng)力大小的改變對(duì)粗粒土的流變影響非常大[12],因此對(duì)路基內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行考察。

圖6為無(wú)砟軌道路基模型的中心截面不同深度處?kù)o土壓力時(shí)程曲線?？梢钥闯?路基填筑完成后至無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)施工前,隨著時(shí)間的推移路基內(nèi)部靜土壓力有所減小,且變化值均小于4 kPa,可以認(rèn)為在路基靜置階段土體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)未發(fā)生明顯的改變。這個(gè)階段的路基變形可認(rèn)為主要是由粗顆粒土蠕變所產(chǎn)生。

圖5 單點(diǎn)沉降計(jì)時(shí)程曲線

圖6 不同深度的靜土壓力時(shí)程曲線

從圖5中可以看出,在觀測(cè)至400 d左右時(shí)路基沉降開(kāi)始趨于穩(wěn)定。如圖5(a)所示,此階段整個(gè)路基的流變變形為3.51 mm,為觀測(cè)最大沉降的80.9%;如圖5(c)所示,此階段路基本體和地基的總流變變形為2.5 mm,為觀測(cè)最大沉降的41.2%;如圖5(d)所示,此階段地基的總流變變形為2.31 mm,為觀測(cè)最大沉降的43.1%;

(3)外荷載作用下變形波動(dòng)

在路基沉降觀測(cè)期的第400 d至第700 d,相鄰的重載鐵路有砟軌道路基模型進(jìn)行了作動(dòng)器調(diào)試和動(dòng)力加載試驗(yàn),導(dǎo)致本文建立的無(wú)砟軌道路基模型產(chǎn)生了變形。如圖5(a)所示,此階段整個(gè)路基的變形為0.83 mm,為觀測(cè)最大沉降的19.1%;如圖5(c)所示,此階段路基本體和地基的總變形為0.59 mm,為觀測(cè)最大沉降的9.7%;如圖5(d)所示,此階段地基的變形為0.57 mm,為觀測(cè)最大沉降的10.6%;重載鐵路加載試驗(yàn)完成以后,路基沉降有所回彈,例如:3-CJ-3在重載試驗(yàn)之前為5.27 mm,重載試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中最大值為6.02 mm,重載試驗(yàn)完成之后為5.73 mm,重載鐵路的動(dòng)力試驗(yàn)導(dǎo)致相鄰路基產(chǎn)生了彈性變形和塑性變形兩部分。

從圖5中還可知,在軌道結(jié)構(gòu)施工后,高速鐵路粗粒土路基的沉降增加量很小。這是由于無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)施工后基床表層表面、基床表層底面的靜土壓力值分別增加了15、10 kPa,但其他測(cè)點(diǎn)處的靜土壓力增加量均小于5 kPa,對(duì)路基增加的作用非常有限(圖6),且路基已經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沉降變形期。分析表明,無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)施工后,路基的沉降與流變變形階段穩(wěn)定期的沉降差別較小,因此可將由無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)層引起的路基沉降作為靜置期內(nèi)的沉降來(lái)考慮,路基填筑完成后的沉降主要由粗粒土的流變特性控制。

圖7 填筑后路基結(jié)構(gòu)層變形時(shí)程曲線

將單點(diǎn)沉降計(jì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差值運(yùn)算可得到路基各結(jié)構(gòu)層的變形,其時(shí)程曲線見(jiàn)圖7?？梢钥闯?路基填筑完畢后,路基各結(jié)構(gòu)層的變形隨時(shí)間的增加而增大,并在觀測(cè)1年后逐漸趨于穩(wěn)定。地基最大壓縮量為2.37 mm,壓縮率為0.18‰,路基本體最大壓縮量為1.1 mm,壓縮率為0.55‰,基床層最大壓縮量為0.4 mm,壓縮率為0.14‰。

3 路基沉降預(yù)測(cè)

路基的沉降典型發(fā)展曲線[13]如圖8中曲線1所示。可以看出,路基的總沉降由施工期沉降和工后沉降組成,且路基絕大部分沉降是在施工期間產(chǎn)生。施工期間路基的沉降包括路基填筑階段的沉降、靜置期內(nèi)的沉降以及鋪軌階段的沉降。路基工后沉降是指在無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)全部鋪設(shè)后路基產(chǎn)生的沉降,應(yīng)包括路基自重引起的工后沉降、鋪設(shè)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)層自重引起的工后沉降以及列車行車引起的基床累積變形3部分。

圖8 典型的路基沉降曲線

式中,s為沉降,mm;t為時(shí)間,d;a、b為參數(shù),mm-1。

工程實(shí)踐表明,雖然采用雙曲線擬合能較好地預(yù)測(cè)路基的沉降量,但預(yù)測(cè)結(jié)果過(guò)分依賴前期的觀測(cè)數(shù)據(jù),一般情況下需要大量的數(shù)據(jù)和長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)對(duì)粗粒土路基模型的沉降曲線特性進(jìn)行分析表明,路基填筑后的沉降主要由粗粒土的流變特性控制,

為考察路基填筑后的沉降特性和評(píng)價(jià)無(wú)砟軌道的鋪設(shè)條件,將填筑后的靜置期、鋪軌階段以及工后沉降視為連續(xù)的發(fā)展過(guò)程,如圖8中曲線2所示。由于無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的施工對(duì)粗粒土路基沉降的影響較小,因此根據(jù)路基模型的沉降變形規(guī)律,建立不考慮軌道結(jié)構(gòu)影響的粗粒土路基沉降特性曲線,如圖8中曲線3所示。

根據(jù)路基沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)沉降發(fā)展規(guī)律,估算路基的最終沉降已成為高速鐵路路基沉降計(jì)算的一個(gè)非常重要和必要的環(huán)節(jié),運(yùn)用最廣泛的是曲線擬合法,其中最為常用的為雙曲線擬合法[14],即對(duì)路基沉降監(jiān)測(cè)資料完整的斷面,采用雙曲線對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行擬合,并根據(jù)擬合公式預(yù)測(cè)工后沉降量,其基本方程為因此,可采用流變模型來(lái)預(yù)測(cè)路基的沉降發(fā)展過(guò)程。選擇合理的流變本構(gòu)模型是計(jì)算粗粒土路基流變變形的關(guān)鍵。目前各國(guó)學(xué)者針對(duì)粗粒土流變建立的本構(gòu)模型有很多,但由于模型參數(shù)不易精確測(cè)定,大量的本構(gòu)模型并未能得到充分的驗(yàn)證和推廣應(yīng)用。對(duì)于粗粒土填料,可將其視為粘彈性土質(zhì)材料。幾個(gè)比較典型的粘彈性性質(zhì)的流變本構(gòu)有麥克斯韋(Maxwell)模型、開(kāi)爾文(Kelvin)模型、伯格斯(Burgers)模型等[15-16]。其中開(kāi)爾文模型的流變時(shí)程曲線與圖8中曲線3最為接近,因此可采用開(kāi)爾文流變模型來(lái)計(jì)算粗粒土路基在填筑完成后的沉降,其方程為

假設(shè)路基某結(jié)構(gòu)層厚度為h,填筑材料均質(zhì)單一,該結(jié)構(gòu)層的變形可表示為

式中,σ1為計(jì)算結(jié)構(gòu)層表面應(yīng)力,即上覆土自重應(yīng)力,MPa;γ為結(jié)構(gòu)層重度,kN/m3;E為計(jì)算結(jié)構(gòu)層彈性模量,MPa;η為計(jì)算結(jié)構(gòu)層粘滯系數(shù),MPa·d;t為路基全部填筑完成后沉降觀測(cè)時(shí)間,d。

基于模式搜索與非線性最小二乘法[17],采用靜置期一年內(nèi)的變形觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)路基結(jié)構(gòu)層的流變計(jì)算模型參數(shù)進(jìn)行反分析,并采用該流變模型對(duì)填筑后路基的沉降進(jìn)行預(yù)測(cè),將預(yù)測(cè)結(jié)果與基于最小二乘法的雙曲線擬合結(jié)果進(jìn)行比對(duì),結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 路基變形預(yù)測(cè)模型參數(shù)

從表1中可以看出,采用雙曲線預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)層最終變形的結(jié)果遠(yuǎn)大于觀測(cè)值,而流變預(yù)測(cè)模型的最終預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值較為接近,說(shuō)明采用流變模型計(jì)算粗粒土路基的變形更為合理。

為進(jìn)一步驗(yàn)證流變沉降計(jì)算模型在軌道路基模型中的適應(yīng)性以及其參數(shù)的合理性,將流變計(jì)算模型理論曲線與后續(xù)的測(cè)試曲線進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

從圖9中可以看出,雙曲線預(yù)測(cè)模型在短期內(nèi)能較好地預(yù)測(cè)各結(jié)構(gòu)層的變形,但隨著時(shí)間的推移,誤差逐漸變大,這是由于擬合曲線過(guò)于依賴前期的樣本數(shù)據(jù),不能從本質(zhì)上反應(yīng)土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,而開(kāi)爾文流變模型能較好反應(yīng)粗粒土路基在填筑完成后土體變形內(nèi)在原因,即使采用較少的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行變形計(jì)算參數(shù)的反分析,預(yù)測(cè)的時(shí)程曲線、最終沉降與實(shí)際情況都能較好地吻合。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)高速鐵路無(wú)砟軌道路基實(shí)尺模型進(jìn)行沉降觀測(cè),研究了粗粒土填方路基的長(zhǎng)期沉降特性,得到如下結(jié)論。

(1)粗粒土填方路基的沉降主要由瞬時(shí)壓縮、流變以及外荷載作用產(chǎn)生,其中由路基填筑產(chǎn)生的變形占最大變形的50%左右,由粗粒土流變產(chǎn)生的變形占最大變形的40%左右;路基填筑完后,由粗粒土流變產(chǎn)生的變形占填筑后總沉降的比例可達(dá)80%,路基的最終沉降主要由粗粒土流變特性控制。

(2)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)施工導(dǎo)致基床底層和路基本體的土壓力增量均小于5 kPa,且隨著路基深度的增大而減小。結(jié)合沉降觀測(cè)結(jié)果表明,無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)對(duì)粗粒土路基沉降影響較小。

(3)采用開(kāi)爾文流變模型構(gòu)建了粗粒土路基的沉降預(yù)測(cè)函數(shù),并將其與雙曲線預(yù)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明基于開(kāi)爾文模型的沉降預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好,為高速鐵路粗粒土路基的沉降預(yù)測(cè)問(wèn)題提供了參考。

本文中路基的沉降未考慮列車動(dòng)力荷載的影響,因此在動(dòng)靜耦合力作用下粗粒土路基的沉降特性有待進(jìn)一步研究。

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Study on Settlement Characteristics and Forecasting Method of Coarse-Grained Soil Subgrade of High-speed Railway

WANG Qi-yun1,ZHANG Jia-sheng2,MENG Fei2
(1.School of Civil Engineering,Fujian University of Technology,Fuzhou 350108,China; 2.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)

The full-scale subgrade model of ballastless track was set up and a long-term monitoring was carried out by using single-point settlement meter,so as to analyze the settlement characteristics of ______coarse-grained soil subgrade of high-speed railway.The results showed that the settlement of subgradewith coarse-grained soil filling was mainly composed of these factors:the instantaneous compression deformation of subgrade filling,the rheological deformation of coarse-grained soils,the deformation caused by external loading,and so on.More specifically,the deformation of subgrade filling accounted for about 50%of the total settlement,the rheological deformation of coarse-grained soils accounted for about 40%of the total settlement.The results also showed that after the finish of subgrade filling,the proportion of rheological deformation of coarse-grained soils reached up to 80%of the total settlement, which means that the rheological deformation of coarse-grained soils dominates the final subgrade deformation.Further,according to the settlement characteristics of coarse-grained soil subgrade,a subgrade settlement forecasting function based on Kelvin rheological model was established,and the research showed that the settlement forecasting results based on Kelvin rheological model agreed better with the measured data.This method can provide references for the settlement forecasting of coarsegrained soil subgrade of high-speed railway.

high-speed railway;subgrade;settlement forecasting;rheological properties

U238;U213.1+57

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.003

1004-2954(2014)08-0012-06

2013-11-21

高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(30120512);福建工程學(xué)院科研啟動(dòng)基金(GY-Z14003)

王啟云(1986—),男,講師,2013年畢業(yè)于中南大學(xué)巖土工程專業(yè),工學(xué)博士,E-mail:wangqiyun860519@163.com。